La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia cómo se comportan las partículas a escalas muy pequeñas, como átomos y partículas subatómicas. Es diferente de la física clásica porque en lugar de describir las cosas con precisión exacta (como la posición y velocidad de una pelota), usa probabilidades para describir el comportamiento de estas partículas. Esto ocurre porque a nivel cuántico, las partículas no se comportan como objetos sólidos, sino que pueden mostrar propiedades de ondas y partículas al mismo tiempo.
Un concepto clave es que no siempre podemos saber con exactitud dónde está una partícula o hacia dónde se mueve; solo podemos calcular la probabilidad de encontrarla en ciertos lugares o con ciertas velocidades. Esta incertidumbre está reflejada en el famoso principio de incertidumbre de Heisenberg.
Además, en mecánica cuántica las partículas pueden “superponerse”, lo que significa que pueden existir en varios estados al mismo tiempo hasta que son medidas. También pueden “entrelazarse”, lo que implica que el estado de una partícula puede estar conectado instantáneamente al estado de otra, sin importar la distancia que las separe.
La mecánica cuántica desafía nuestra intuición porque nos obliga a pensar en términos de probabilidades y estados simultáneos, lo que no ocurre en nuestra experiencia cotidiana.
Para los no doctos en la materia, la mecánica cuántica no es solo que sea difícil de entender, es que parece ciencia-ficción. Y si este artículo no ayuda a que entendamos un poquito, sólo un poquito más esta rama de la física, siempre nos quedará disfrutar con The Big Bang Theory.
Principio de incertidumbre de Heisenberg
El principio de incertidumbre de Heisenberg es una idea fundamental en la mecánica cuántica que, de manera simple, nos dice que hay un límite en la precisión con la que podemos conocer ciertas propiedades de las partículas pequeñas, como los electrones.
Imagina que quieres medir dos cosas importantes sobre una partícula: su posición (dónde está) y su velocidad (hacia dónde y qué tan rápido se mueve). El principio de incertidumbre dice que no puedes saber ambas cosas con total exactitud al mismo tiempo. Cuanto más precisamente tratas de medir una, menos certeza tendrás sobre la otra.
Por ejemplo, si intentas medir con mucha precisión dónde está un electrón, te resultará más difícil saber con precisión como de rápido se está moviendo o hacia dónde va. Y al revés, si mides con gran exactitud su velocidad, no sabrás con certeza su ubicación exacta.
Este principio no se debe a que nuestros instrumentos sean malos, sino que es una característica inherente de cómo se comportan las partículas a nivel cuántico. En el mundo cuántico, las partículas no tienen un “lugar” o una “velocidad” perfectamente definidas, como ocurre con objetos más grandes que vemos todos los días, como un coche o una pelota.
El experimento mental del gato de Schrödinger
Imagina que metes un gato en una caja cerrada junto con un mecanismo cuántico: una partícula que, dependiendo de su estado cuántico, tiene un 50% de probabilidad de activar un veneno que matará al gato y un 50% de probabilidad de que no lo haga. Según la mecánica cuántica, la partícula puede estar en una superposición de ambos estados, es decir, puede estar “activada” y “no activada” al mismo tiempo.
Este experimento fue propuesto por el físico Erwin Schrödinger en 1935 para ilustrar lo raro que es el mundo cuántico cuando lo llevamos a situaciones que contradicen nuestra intuición sobre cómo debería comportarse el mundo a gran escala. Aunque en la vida cotidiana no vemos gatos vivos y muertos al mismo tiempo, en el mundo cuántico, las partículas pueden existir en múltiples estados (superposición) hasta que son medidas.
El experimento mental del gato de Schrödinger está relacionado con los principios de la mecánica cuántica, aunque aborda un concepto diferente al principio de incertidumbre. Ambos están conectados a la naturaleza extraña e indeterminada del mundo cuántico, pero el experimento del gato tiene más que ver con el concepto de superposición cuántica.
Siguiendo esta lógica, antes de abrir la caja y observar lo que pasa, el gato estaría en una especie de estado cuántico donde está vivo y muerto a la vez. Solo cuando abrimos la caja y lo observamos, su estado se “colapsa” y vemos al gato o bien vivo o bien muerto.
Mientras que el principio de incertidumbre de Heisenberg se refiere a la imposibilidad de conocer con exactitud ciertos pares de propiedades (como posición y velocidad), el gato de Schrödinger ilustra la idea de superposición: cómo un sistema cuántico puede estar en varios estados a la vez hasta que lo observamos.
Conceptos de mecánica cuántica
1. Entrelazamiento cuántico (o “acción fantasmagórica a distancia”)
El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más sorprendentes. Cuando dos partículas están entrelazadas, sus propiedades están conectadas de tal manera que lo que le sucede a una afecta instantáneamente a la otra, sin importar la distancia que las separe. Einstein se refería a esto como una “acción fantasmagórica a distancia” porque parecía violar su teoría de la relatividad, que dice que ninguna información puede viajar más rápido que la luz. Sin embargo, el entrelazamiento ha sido demostrado experimentalmente y es una piedra angular de la tecnología de la computación cuántica y la comunicación cuántica.
2. El colapso de la función de onda
En la mecánica cuántica, las partículas no tienen posiciones definidas hasta que las medimos. En lugar de eso, se describen mediante una función de onda, que es una especie de mapa de probabilidades sobre dónde podría estar la partícula. Cuando realizamos una medición, esta función de onda “colapsa”, y la partícula toma una posición concreta. Es como si antes de medir, la partícula existiera en muchos lugares a la vez (en una superposición), pero una vez que la medimos, solo “elige” una posición. Esto plantea preguntas filosóficas profundas sobre el papel del observador en la realidad cuántica.
3. Túnel cuántico
En el mundo clásico, si tienes una montaña frente a ti y no tienes suficiente energía para superarla, no puedes atravesarla. Pero en el mundo cuántico, una partícula puede “tunelar” a través de una barrera que, según la física clásica, debería ser impenetrable. Este fenómeno es esencial para el funcionamiento de dispositivos como los transistores y los escáneres de microscopía de efecto túnel, y es también un factor en algunas reacciones nucleares dentro de las estrellas.
4. La dualidad onda-partícula
Una de las ideas más extrañas y fundamentales de la mecánica cuántica es que las partículas, como los electrones o los fotones (partículas de luz), pueden comportarse como partículas y como ondas dependiendo de cómo se midan. Este fenómeno se observa en el famoso experimento de la doble rendija, donde, si no observas por dónde pasa un electrón al atravesar dos rendijas, se comporta como una onda y genera un patrón de interferencia. Pero si decides observar por qué rendija pasa, se comporta como una partícula y no se forma el patrón de interferencia. Este experimento muestra cómo la observación cambia la realidad cuántica.
5. El experimento de las decisiones retardadas
Un experimento aún más sorprendente, derivado del experimento de la doble rendija, es el experimento de las decisiones retardadas propuesto por el físico John Wheeler. Este experimento sugiere que las decisiones que tomamos en el presente (por ejemplo, observar o no observar una partícula) pueden afectar eventos que ocurrieron en el pasado, lo que desafía nuestra comprensión tradicional de la causalidad.
6. La paradoja de los universos múltiples
El multiverso es una de las interpretaciones más discutidas de la mecánica cuántica, llamada la interpretación de los muchos mundos. Según esta idea, cada vez que una partícula cuántica toma una decisión (por ejemplo, pasa por una rendija o por otra), el universo se divide en dos, y en cada uno de esos universos ocurre una de las posibles alternativas. Esto significaría que hay infinitos universos paralelos donde todas las posibilidades cuánticas están ocurriendo simultáneamente, ¡incluyendo versiones de ti tomando decisiones diferentes en cada uno!
7. Teletransportación cuántica
Aunque la teletransportación como en “Star Trek” sigue siendo ciencia ficción, la teletransportación cuántica es real, al menos para partículas subatómicas. A través del entrelazamiento cuántico, se ha logrado “teletransportar” el estado cuántico de una partícula a otra, instantáneamente, sin transferir físicamente la partícula misma. Esto tiene grandes implicaciones para la computación cuántica y la comunicación segura, aunque estamos lejos de teletransportar objetos grandes o personas.
8. El vacío cuántico no está vacío
En la física cuántica, el vacío no es simplemente “nada”. En realidad, es un campo lleno de fluctuaciones cuánticas, donde partículas y antipartículas aparecen y desaparecen constantemente. Estos pares de partículas virtuales se crean y aniquilan tan rápidamente que no las percibimos directamente, pero tienen efectos medibles, como el efecto Casimir, donde dos placas muy cercanas experimentan una atracción debido a las fluctuaciones del vacío entre ellas.
Aplicaciones de la mecánica cuántica
1. Electrónica y semiconductores
La mecánica cuántica es la base de cómo funcionan los semiconductores, que se utilizan en la fabricación de transistores y microchips. Estos dispositivos son esenciales en todo tipo de tecnologías modernas, desde computadoras hasta teléfonos móviles. Sin el entendimiento cuántico del comportamiento de los electrones en materiales, la electrónica moderna no existiría.
2. Computación cuántica
La computación cuántica es una de las aplicaciones más avanzadas. En lugar de usar bits clásicos (que pueden ser 0 o 1), las computadoras cuánticas usan qubits, que pueden estar en una superposición de ambos estados al mismo tiempo. Esto podría permitir a las computadoras cuánticas resolver problemas que serían imposibles o muy lentos para las computadoras clásicas, como la simulación de moléculas complejas, la optimización de sistemas y el desarrollo de nuevos medicamentos.
3. Criptografía cuántica
La criptografía cuántica se basa en principios cuánticos, como el entrelazamiento y la superposición, para crear sistemas de comunicación ultra seguros. Uno de los métodos más conocidos es la distribución cuántica de claves (QKD), que garantiza que cualquier intento de interceptar la clave de cifrado pueda ser detectado de inmediato.
4. Sensores y relojes cuánticos
Los principios cuánticos también se usan en la creación de sensores cuánticos que pueden medir campos magnéticos, gravitacionales o eléctricos con una precisión sin precedentes. Asimismo, los relojes atómicos, que utilizan transiciones de energía en átomos, son los dispositivos de medición de tiempo más precisos que existen, y son esenciales para el GPS y las telecomunicaciones.
5. Imágenes médicas y diagnóstico
Técnicas como la resonancia magnética nuclear (RMN) y la tomografía por emisión de positrones (PET) se basan en principios cuánticos para generar imágenes detalladas del cuerpo humano. Estas herramientas son cruciales para el diagnóstico de enfermedades como el cáncer y los trastornos neurológicos.
6. Química cuántica
La mecánica cuántica permite entender cómo los átomos y moléculas interactúan entre sí. Esta comprensión es vital en la química cuántica, que se utiliza para diseñar nuevos materiales y medicamentos, simulando cómo reaccionan las moléculas a nivel cuántico. Esto podría acelerar el descubrimiento de fármacos y catalizadores más eficientes para procesos industriales.
7. Optoelectrónica y láseres
Los láseres y muchos dispositivos optoelectrónicos, como los LED, se basan en principios de la mecánica cuántica, particularmente en cómo los electrones emiten y absorben luz. Los láseres tienen innumerables aplicaciones en medicina (cirugía láser, eliminación de tumores), telecomunicaciones (transmisión de datos a través de fibra óptica) y tecnología (lectores de CD y DVD).
